張建強 陳 星 劉智鵬

(華南理工大學廣州學院機械工程學院，廣東 廣州 510800)

目前倉庫碼垛袋裝貨物常采用人工碼垛或碼垛機械人進行碼垛，人工碼垛存在勞動強度大，效率低問題，而品牌眾多的碼垛機器人(日本FANUTC、安川，德國的KUKA，美國的Boston Dynamics，以及瑞士的ABB)普遍存在單價過高、維修成本高、維修周期長等問題，這些碼垛機器人在中國企業(yè)應用較少。

高位袋裝碼垛機是自動化立體倉庫的重要組成部分，通常為了節(jié)約儲存空間，碼垛機能夠以其自動化且能夠?qū)崿F(xiàn)對袋裝物料的規(guī)則堆碼，實現(xiàn)合理擺盤，符合行業(yè)生產(chǎn)需要，降低了自動化成本，讓大中小企業(yè)都能更好地享受低成本、高速和穩(wěn)定的自動化碼垛。研究擬以袋裝物料裝盤碼垛為例，設計一種基于同步帶傳動的高位袋裝碼垛機，在滿足企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)需求的同時，高位袋裝碼垛機還具有造價相對較低、碼垛速度快、穩(wěn)定性高等特點，能大程度上節(jié)省人力，也能降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

1 物料、托盤介紹及碼垛要求

1.1 托盤和袋裝物料的尺寸和重量

應用在該款碼垛機的托盤尺寸為1 500 mm×1 300 mm×140 mm，托盤的單個重量為40 kg，托盤的寬度方向有兩個貫通的開槽方便叉車進行貨物運輸。托盤尺寸示意見圖1。

圖1 托盤尺寸圖

袋裝物料選用的尺寸約為750 mm×550 mm×150 mm，單包物料重量約為40 kg。

1.2 袋裝物料的碼垛要求

碼垛搬運行業(yè)對袋裝物料的碼垛排放的形狀是有特定的要求[1]，在行業(yè)當中通常使用以下4種垛型：平齊式碼放、正反交錯碼放、旋轉(zhuǎn)交錯碼放、縱橫交錯碼放。

1.2.1 平齊式碼放 貨物在托盤上朝著一個方向并排并列從最底層碼放到最頂層的形式，如圖2所示。其特點是擺放形式整齊，貨物的4個邊角對齊，承受載荷大，但會由于貨物層與層之間無法嚙合，使得貨物之間失去對應關(guān)系，容易引起垛型分離，牢固性變差。

圖2 重疊式碼放示意圖

1.2.2 一正一反分割碼放 同層不同行的貨物一正一反地分列碼放，層與層之間貨物反向堆放，如圖3所示。其特點是上、下層之間各呈方向咬合，強度高，穩(wěn)定性較強。但由于4個邊角不能一一對應，在托盤上無法達到平衡重量，削弱了托盤承重能力。

圖3 正反交錯碼放示意圖

1.2.3 回旋首尾交接碼放 此方式每層貨物均呈風車型，層與層之間貨物一一對應堆疊，互相咬合交叉，如圖4所示。其特點是貨物在托盤上碼放穩(wěn)定性高，層與層之間的交叉呈正方形垛，貨垛更加牢固，但增加了碼放難度，且由于中間存在空位，造成托盤裝載能力下降。

1.2.4 橫豎交替碼放 此方式是將托盤上層與下層之間貨物擺放呈90°角堆放，即一層橫向放置，一層縱向放置，

圖4 旋轉(zhuǎn)交錯碼放示意圖

如圖5所示。其特點是適合碼放呈正方形貨垛，貨物之間的相互交錯增加了摩擦力和咬合力，層與層之間聯(lián)系密切，增加貨垛牢固性。

圖5 縱橫交錯碼放示意圖

該款碼垛機額定工作效率為≥400袋/h，碼垛層數(shù)8～10層，垛型要求牢固、定量、整齊、以及方便堆放和運輸。同時對于碼放的形狀有著咬合強度高和穩(wěn)定性強的要求，同時根據(jù)行業(yè)的一般標準，選擇正反交錯碼放的垛型[2]。

2 高位袋裝碼垛機方案設計

2.1 碼垛機功能確定總體模型

該款碼垛機具有的主要功能為：托盤儲存功能、貨物抬升功能、托盤自動進給功能、托盤抬升功能、貨物自動碼放功能[3]。

2.1.1 托盤存儲功能 碼垛機是全自動的碼垛設備，需要具有將托盤存儲的功能縮短人工干預的周期，提高碼垛機的生產(chǎn)效率。

2.1.2 貨物抬升功能 該款碼垛機為高位碼垛機，貨物的編碼高度必須大于最大的層數(shù)高度，利用重力的作用將貨物逐層堆垛。

2.1.3 托盤自動進給功能 根據(jù)自動化設備的要求，需要托盤從存儲區(qū)到工作區(qū)實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)移和定位。

2.1.4 托盤抬升功能 由于貨物是在固定的高度經(jīng)過重力作用最終完成碼放的，這就要求貨物下降的高度不能太高而且是固定不變的，以達到質(zhì)量統(tǒng)一的標準。因此托盤需要抬升的高度必須隨著工作過程不斷變化。

2.1.5 貨物自動碼放功能 這是碼垛機的核心功能，試驗選擇的垛型為正反交錯碼放，貨物需要有90°的旋轉(zhuǎn)，因此該功能要實現(xiàn)貨物在預定地點和預定姿態(tài)投放。

2.2 碼垛機模塊化處理

機械設計中的模塊化應用是現(xiàn)代機械設計當中最常見和最廣泛的設計方法[4]。在碼垛機的整體設計中應用模塊化設計方法，其第一步即對碼垛機各模塊進行科學劃分，在劃分好模塊后需要確定模塊的具體功能，普通的模塊功能都比較單一，但有些模塊需具備多種功能來滿足現(xiàn)實使用的需求。同時在組裝過程中應確保模塊的完整性和獨立性，因而在后期的保養(yǎng)和維修過程中能夠及時更換，保證生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)效率。最終根據(jù)市場調(diào)研和對碼垛機功能和結(jié)構(gòu)進行分析，完成劃分模塊的檢驗。

根據(jù)上述內(nèi)容，碼垛機可以大致的分為托盤儲存模塊、托盤抬升模塊、3軸移動平臺編碼模塊、送料模塊、輸送帶模塊。碼垛機的整體示意圖如圖6所示。

1. 送料模塊 2. 托盤抬升模塊 3. 3軸移動平臺編碼模塊 4. 輸送帶模塊 5. 托盤儲存模塊

圖6 碼垛機整體示意圖

Figure 6 Overall sketch of palletizer

3 堆疊機構(gòu)的設計

堆疊機構(gòu)核心組成部分是3軸移動平臺編碼模塊，該模塊主要是依靠伺服電機驅(qū)動同步帶傳動在X軸、Y軸上平移以及Z軸的90°旋轉(zhuǎn)，其中X軸的導軌安裝在托盤抬升模塊的碼垛機機架頂部，如圖7所示。

1. 伺服電機 2. 沿Y軸移動同步帶 3. 沿X軸移動同步帶

Figure 7 Schematic diagram of the coding module of the three-axis mobile platform as a whole

貨物由輸送帶和平臺的同速運動過程中，從輸送帶的末端轉(zhuǎn)移到3軸移動平臺上，平臺在PLC的控制下將指定的貨物運送至指定的位置后，由氣缸將合頁打開，貨物經(jīng)重力的作用完成碼垛。為了保證碼垛的精度和編程的方便性，采用伺服電機作為動力來源[5]。

3.1 X、Y軸傳動機構(gòu)分析

在X、Y軸上采用同步帶傳動，同步帶傳動是一種嚙合型的帶傳動[6]。同步帶的內(nèi)表面等距分布著橫向齒和同步帶輪的齒槽相對應，通過兩齒之間的嚙合來傳遞運動。該種傳動方式?jīng)]有傳統(tǒng)帶傳動的相對滑動，能夠保證傳動比。

同步帶的本體是聚氨酯或氯丁橡膠，具有彈性，同步帶的負載層采用的是伸縮率很小的鋼絲或者玻璃纖維壓鑄成型，在同步帶工作時受到拉力和應力作用的伸縮率非常小，保證了同步帶的節(jié)距保持不變，使得同步帶和帶輪能夠正常嚙合獲得準確的傳動比。

碼垛機的3軸移動平臺中X和Y軸的傳動，通過同步帶與移動平臺的固定來實現(xiàn)，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，如圖8所示，固定板的作用是將同步帶和平臺實現(xiàn)連接起來。

1. 傳送帶 2. 固定塊 3. 轉(zhuǎn)盤

3.2 繞Z軸旋轉(zhuǎn)平臺設計

3軸移動平臺的第3軸為繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°的旋轉(zhuǎn)軸，根據(jù)垛型的要求貨物需要有交錯90°的碼放位置。由于平臺需要將貨物旋轉(zhuǎn)后放下，所以3軸移動平臺最上層的圓盤必須整體旋轉(zhuǎn)，但會導致需要旋轉(zhuǎn)的圓盤面積較大。圓盤的旋轉(zhuǎn)傳動的方式最終鎖定在齒輪傳動和同步帶傳動中，進行二選一。

齒輪傳動的方案需要將齒條安裝在圓盤上，或者將圓盤進行激光切割，在圓盤的邊緣制成齒輪模樣，在這個方案當中圓盤的加工費用高昂。

同步帶傳動方案中，電機直接連接同步帶輪，將同步帶剪斷，同步帶的兩端用螺絲固定在圓盤上，并將同步帶繞過電機的同步帶輪。利用同步帶和圓盤相對靜止，電機帶動同步帶來實現(xiàn)圓盤的旋轉(zhuǎn)運動[7]。同步帶的布局簡圖如圖9所示。

1. 同步帶 2. 球閥氣缸 3. 圓管門

4 高位碼垛機上同步帶輪選型分析

同步帶輪傳動是靠同步帶齒與同步帶輪齒之間的嚙合實現(xiàn)傳動，兩者無相對滑動，而使圓周速度同步，故稱為同步帶傳動。在堆疊機構(gòu)中，同步帶在伺服電機帶動下長距離的傳動過程也能具有比較高的精度，比較低廉的成本，綜上所述碼垛機的3軸移動平臺的傳動結(jié)構(gòu)選擇同步帶傳動。如圖9所示，設計中所用同步帶輪所處的位置在可移動轉(zhuǎn)盤，可移動轉(zhuǎn)盤兩個動作需要使用到同步帶輪，即轉(zhuǎn)盤對物料的旋轉(zhuǎn)擺放及水平輸送，從而實現(xiàn)在堆垛板對物料進行自動規(guī)則堆疊。因此，在可移動轉(zhuǎn)盤上實現(xiàn)這兩個動作進行運動計算分析，根據(jù)運動所需條件進行同步帶輪選型[8]。

4.1 繞Z軸方向旋轉(zhuǎn)的同步帶及帶輪選型計算

旋轉(zhuǎn)方向設計要求：帶動物料需要力196 N，轉(zhuǎn)盤直徑1.45 m，轉(zhuǎn)動半圈需要同步帶輪持續(xù)工作1 s。

(1) 設計功率：按式(1)計算。

Pd=KA×P，

(1)

式中：

Pd——設計功率，kW；

KA——載荷修正系數(shù)；

P——傳遞功率的功率，kW。

傳遞功率的功率按式(2)計算。

(2)

式中：

P——傳遞功率的功率，kW；

F——帶動物料需要力，N；

v——速度，m/s；

η——工作效率。

根據(jù)式(2)求得：P=0.32 kW。同步帶普通每天使用8～10 h，查表取載荷修正系數(shù)KA=1.9，根據(jù)式(1)求得：Pd=0.6 kW。

(2) 帶型選擇：根據(jù)式(1)求得的結(jié)果和帶輪轉(zhuǎn)速n=30 r/min，查表優(yōu)選8M圓弧齒同步帶輪。

(3) 帶輪齒數(shù)z及節(jié)圓直徑d1：根據(jù)帶速v和安裝尺寸允許，查表選擇同步帶輪齒數(shù)z=22，節(jié)距pb=8 mm。根據(jù)式(3)求得節(jié)圓直徑d1=56 mm。

(3)

式中：

d1——節(jié)圓直徑，mm；

z——同步帶輪齒數(shù)；

pb——節(jié)距，mm。

(4) 帶速v：根據(jù)式(4)求得帶速v=0.087 m/s。

(4)

式中：

v——速度，m/s；

d1——節(jié)圓直徑，mm；

n——轉(zhuǎn)速，r/min。

(5) 基準額定功率P0：由z=22，d1=56 mm，n=30 r/min查表得P0=0.07 kW。

(6) 帶寬bS：嚙合修正系數(shù)KZ查表可取1.0，帶長修正系數(shù)KL查表可取1.02，基準帶寬bS0=20 mm。根據(jù)式(5)求得bS≥33.17 mm。

(5)

式中：

bS——帶寬，mm；

bS0——基準帶寬，mm；

Pd——設計功率，kW；

KL——帶長修正系數(shù)；

KZ——嚙合修正系數(shù)；

P0——基準額定功率，kW。

因此選定旋轉(zhuǎn)方向同步帶輪：帶輪型8M圓弧齒同步帶輪，節(jié)圓直徑56 mm，齒數(shù)22，帶輪總寬33.17 mm。

4.2 水平同步帶及帶輪選型計算

水平方向設計要求：帶動物料移動需要力100 N，向前2 m所需時間2 s。

(1) 設計功率：根據(jù)式(2)求得P=111.11 W。根據(jù)每天工作16 h的工作情況，查表取載荷修正系數(shù)KA=1.9，根據(jù)式(1)求得設計功率Pd=211.11 W。

(2) 帶型選擇：根據(jù)Pd=211.11 W和帶輪轉(zhuǎn)速n=100 r/min，查表可選5M圓弧齒同步帶輪。

(3) 帶輪齒數(shù)z及節(jié)圓直徑d1：根據(jù)帶速v和安裝尺寸允許，z盡可能選擇較大值，通過查表選擇，齒數(shù)z=20，節(jié)距pb=5 mm，根據(jù)式(3)求得，節(jié)圓直徑d1=31.83 mm。

(4) 帶速v：根據(jù)式(4)得帶速v=0.17 m/s。

(5) 基準額定功率P0：由z=40，d1=31.83 mm，n=100 r/min查表得P0=0.035 kW。

(6) 帶寬bS：嚙合修正系數(shù)KZ查表可取1.0，帶長修正系數(shù)KL查表可取1.02，基準帶寬bS0=9 mm。根據(jù)式(5)得bS≥9.20 mm。

因此選定旋轉(zhuǎn)方向同步帶輪：帶輪型5M圓弧齒同步帶輪，節(jié)圓直徑63.66 mm，齒數(shù)20，帶輪總寬9.20 mm。

5 主軸的有限元分析

碼垛機的主軸是整個系統(tǒng)當中最主要的承重結(jié)構(gòu)，利用SolidWorks Simulation對托盤抬升模塊的主軸進行靜應力及有限元分析[9]。SolidWorks在具有非常完善的零件建模功能之外，還有同樣方便設計師的零件裝配功能。在使用SolidWorks的裝配模塊時可以對零部件進行關(guān)聯(lián)的設計修改。裝配體的運動可以通過配合關(guān)系來實現(xiàn)，在軟件當中能夠進行運動仿真進而對零部件的運動過程中可以完成動態(tài)的零部件干涉檢測和間隙檢測。托盤提升模塊的模型就是一個比較大裝配體，如圖10所示，在該裝配體當中托盤架在機架當中上下運動，在托盤運動的上下限位能夠直觀地看出托盤是否具有干涉現(xiàn)象。

1. 托盤架 2. 機架 3. 主軸 4. 電機

5.1 前處理

(1) 將機架導入SolidWorks Simulation模塊中，新建算例靜應力并添加上述參數(shù)，結(jié)果如圖11所示。

圖11 新建算例

(2) 設置主軸的材料。材料為45#鋼，45#鋼的物理屬性如圖12所示，彈性模量為2.09×1011N/m2，泊松比為0.269，中抗剪模量8.23×1010N/m2，屈服強度355 MPa，熱膨脹系數(shù)為1.17×10-5K。

(3) 固定主軸。主軸是由兩個固定在碼垛機的機架上的球面軸承固定，主軸固定的位置如圖13所示。

(4) 確定外部載荷。主軸的載荷由兩部分組成，扭矩和徑向壓力，其中扭矩為工作扭矩1 496.55 N·m，徑向壓力為1 494 617 N/m2，作用的位置如圖14所示[10]。

(5) 網(wǎng)格劃分。在SolidWorks Simulation中具有非常強大的自適應網(wǎng)格劃分功能，并且可以微調(diào)網(wǎng)格的大小和類型如圖15所示。

5.2 碼垛機主軸有限元分析

在靜應力分析的算例當中，計算出結(jié)果包括了應力、位移和應變[11]。如圖16所示，最小應力為1.940×103N/m2，最大應力為1.227×108N/m2。根據(jù)有限元分析得到，碼垛機主軸的設計是符合要求的，對于軸承受的彎矩過大時會出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象，可以將軸承支撐的位置盡量靠近徑向壓力的作用位置上。

圖12 45#鋼的物理屬性

圖13 主軸夾具設置

Figure 13 Spindle fixture settings

圖14 外部載荷示意圖

圖15 主軸網(wǎng)格劃分

Figure 15 Dividing spindle mesh

圖16 主軸有限元分析結(jié)果

6 結(jié)論

(1) 試驗設計的袋裝碼垛機依靠堆疊機構(gòu)以同步帶傳動的方式按照場合要求逐層堆疊碼放袋裝物料，這種傳動方式由伺服電機驅(qū)動，通過模塊化設計為袋裝物料的碼垛提供一種可以實現(xiàn)自動堆垛且能根據(jù)袋裝物料形狀的不同來合理調(diào)整擺放位置，能夠滿足碼垛行業(yè)的實際生產(chǎn)要求，輕松實現(xiàn)碼垛的各種跺型需求。

(2) 設計仍然有一些不足，例如整機設計的重量較大，對于產(chǎn)能小的企業(yè)倉庫并不適用。但在機構(gòu)設計方面考慮了其在自動立體倉庫的實用性價值，以及碼垛機的應用方法當中，依靠高位袋裝自動堆垛的方法解決袋裝物料分類碼垛問題。